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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren, insbesondere Hubkolben-Verbrennungsmotoren, mit VCR-Stellern (VCR: Variable Compression Ratio), die eine variable Anpassung eines Verdichtungsverhältnisses von Brennräumen des Verbrennungsmotors ermöglichen. Weiterhin betrifft die Erfindung Verfahren zum Betreiben eines derartigen Verbrennungsmotors mit einem VCR-Steller.
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Technischer Hintergrund
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Für Hubkolben-Verbrennungsmotoren besteht die Möglichkeit, durch verschiedene Maßnahmen ein Verdichtungsverhältnis in den Brennräumen der Zylinder einzustellen. Das Verdichtungsverhältnis gibt ein Verhältnis zwischen einem maximalen Volumen des Brennraums und einem minimalen Volumen des Brennraums während eines Arbeitstakts des Verbrennungsmotors an. Das Verdichtungsverhältnis kann durch geeignete so genannte VCR-Steller variabel eingepasst werden.
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Beispielsweise ist aus der Druckschrift
WO 2014/019684 eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mit variabler Kompression und mit einer Betätigungseinheit zur Änderung eines Verdichtungsverhältnisses bekannt. Die Betätigungseinheit weist einen Pleuel mit einer variablen Länge auf, einen Kolben mit einer variablen Kompressionshöhe und/oder eine Kurbelwelle mit einem variablen Kurbelwellenradius auf.
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Weiterhin ist aus der Druckschrift
DE 10 2008 050 827 A1 eine Verstellvorrichtung für eine Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors bekannt. Die Kurbelwelle ist in Einstelllagern gelagert, die über eine Verstellwelle verstellbar sind, um die Position der Kurbelwelle zwischen einer Minimalverdichtungslage und einer Maximalverdichtungslage eines Kolbens in einem Zylinder zu ändern.
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Aus der Druckschrift
US 2014/0014071 ist weiterhin eine Vorrichtung zur Einstellung eines variablen Verdichtungsverhältnisses in einem Verbrennungsmotor bekannt. Die Vorrichtung umfasst eine Exzenterlagereinrichtung zur Aufnahme der Kurbelwelle. Die Exzenterlagereinrichtung umfasst einen drehbaren Exzenterring, in dem die Kurbelwelle gelagert ist, wobei durch Drehen des Exzenterrings das Verdichtungsverhältnis eingestellt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem VCR-Steller gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung und ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem VCR-Steller zur Einstellung eines Verdichtungsverhältnisses in einem Zylinder des Verbrennungsmotors vorgesehen, wobei bei einer Aufheizbetriebsart zum Aufheizen einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, insbesondere eines Katalysators, der Verbrennungsmotor mit einem Verdichtungsverhältnis betrieben wird, das bezüglich einem Verdichtungsverhältnis, das bei einem Normalbetrieb betriebspunktabhängig vorgegeben wird, reduziert ist.
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Verbrennungsmotoren mit VCR-Stellern ermöglichen eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs durch Optimierung der Ladungswechselverluste durch Einstellung eines Verdichtungsverhältnisses in den Brennräumen der Zylinder. Da der thermische Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors von dem Verdichtungsverhältnis abhängt, kann für den Betrieb von Verbrennungsmotoren ein geeignetes Verdichtungsverhältnis betriebspunktabhängig eingestellt werden. Insbesondere kann in Niedrig- und Teillastbetriebspunkten eine hohe thermodynamische Effizienz durch ein hohes Verdichtungsverhältnis erreicht werden, während in Betriebspunkten hoher Last das Verdichtungsverhältnis verringert wird, um eine Klopfneigung des Verbrennungsmotors zu reduzieren.
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Um einen größtmöglichen Wirkungsgrad bezüglich der gewonnenen mechanischen Energie zu erhalten, wird das Verdichtungsverhältnis im laufenden Betrieb, d. h. im Normalbetrieb, üblicherweise so hoch wie möglich gewählt, d. h. nahe an der Klopfgrenze. Die Klopfgrenze entspricht Betriebspunkten des Verbrennungsmotors, die den Übergang von einem klopffreien zu einem klopfbehafteten Betrieb kennzeichnen. In einer Aufheizbetriebsart, bei der der Verbrennungsmotor so betrieben wird, dass der Katalysator im Abgasabführungsabschnitt bevorzugt auf eine Betriebstemperatur aufgeheizt wird, besteht ein Ziel jedoch darin, bei der Umsetzung der Kraftstoffenergie einen möglichst hohen Anteil an Abgasenergie zur Aufheizung des Katalysators bereitzustellen. Daher ist in der Regel vorgesehen, während der Aufheizbetriebsart den Verbrennungsmotor mit einer höheren Motorlast zu betreiben und den Zündzeitpunkt zu verzögern, um einen erhöhten thermischen Energieeintrag ins Abgassystem zur schnellen Aufheizung des Katalysators zu erreichen. Unter Umständen wird dieser Effekt noch dadurch verstärkt, indem die Motordrehzahl erhöht wird.
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Gemäß dem obigen Verfahren ist vorgesehen, das Verdichtungsverhältnis während der Aufheizbetriebsart gegenüber einem bei der Normalbetriebsart einzustellenden Verdichtungsverhältnis zu reduzieren bzw. auf ein minimales Verdichtungsverhältnis einzustellen. Dadurch wird der thermische Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors gesenkt. Weiterhin können über das geringe Verdichtungsverhältnis die Reibungsverluste verringert werden, die von der Verdichtung abhängen. Dadurch werden die Energieverluste reduziert, die durch die Reibung des Kolbens an der Zylinderwand entstehen, so dass die für die Erwärmung des Katalysators bereitstehende Energie erhöht wird.
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Zudem ist es bei dem obigen Verfahren nicht bzw. nicht im gleichen Umfang wie bisher notwendig, die Motordrehzahl zu erhöhen. Somit entfällt auch die bei einer Erhöhung der Motordrehzahl auftretende erhöhte Reibung des Kolbens an der Zylinderwand, wodurch der Anteil der für das Aufheizen des Katalysators bereitstehende Wärmeenergie ebenfalls reduziert würde.
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Weiterhin kann das Verdichtungsverhältnis in der Aufheizbetriebsart auf ein minimal einstellbares Verdichtungsverhältnis reduziert werden.
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In der Aufheizbetriebsart kann das Verdichtungsverhältnis betriebspunktabhängig gemäß einem vorgegebenen Aufheizbetriebsarts-Kennfeld gesteuert werden.
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Alternativ kann in der Aufheizbetriebsart das Verdichtungsverhältnis, das bei einem Normalbetrieb betriebspunktabhängig vorgegeben wird, betriebspunktabhängig um einen vorbestimmten absoluten oder relativen Betrag oder um einen gemäß einem vorgegebenen Aufheizbetriebsart-Kennfeld angegebenen Betrag reduziert werden.
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Insbesondere kann der Betriebspunkt durch mindestens eine der Größen Last, Motordrehzahl und Zündwinkel angegeben werden.
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Weiterhin kann das Verdichtungsverhältnis, das bei einem Normalbetrieb betriebspunktabhängig vorgegeben ist, maximal sein oder so gewählt sein, dass der Verbrennungsmotor an der Klopfgrenze betrieben wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Zündwinkel durch eine Lastvorgabe eingestellt wird, wobei während der Aufheizbetriebsart das Verdichtungsverhältnis so geregelt wird, dass ein minimaler mechanischer Wirkungsgrad bei dem eingestellten Zündwinkel eingestellt wird.
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Mit anderen Worten wird der Zündwinkel wird so eingestellt, dass der Motor ein gefordertes Drehmoment abgibt. Dabei wird der Verbrennungsmotor mit einer sogenannten Momentenreserve betrieben, d. h. in gleichem Maße wie der Zündwinkel nach spät verstellt und dadurch der (mechanische) Wirkungsgrad abgesenkt wird, wird die Zylinderfüllung erhöht. Daraus ergibt sich bei einem stöchiometrischen Gleichgewicht des Luft-Kraftstoffverhältnis ein höherer Luftmassenstrom und Kraftstoffmassenstrom, was zu einem höheren chemischen Energieeintrag führt. Bei schlechterem thermischen Wirkungsgrad aufgrund des niedrigeren Verdichtungsverhältnisses muss ebenfalls der Massenstrom weiter erhöht werden, um bei „gleich spätem” Zündwinkel das gleiche abgegebene Drehmoment zu erreichen.
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Weiterhin kann die Aufheizbetriebsart festgestellt werden, wenn eine für eine bestimmte Zeitdauer bestehende Spätverschiebung des Zündwinkels erkannt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem VCR-Steller zur Einstellung eines Verdichtungsverhältnisses in einem Zylinder des Verbrennungsmotors vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um bei einer Aufheizbetriebsart zum Aufheizen einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, insbesondere eines Katalysators, den Verbrennungsmotor mit einem Verdichtungsverhältnis zu betreiben, das bezüglich einem Verdichtungsverhältnis, das bei einem Normalbetrieb betriebspunktabhängig vorgegeben wird, reduziert ist.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor, der einen VCR-Steller zum Einstellen eines variablen Verdichtungsverhältnisses in den Brennräumen der Zylinder aufweist; und
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2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem VCR-Steller.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Motorsystems 1 mit einem Verbrennungsmotor 2, der in Form eines Hubkolben-Verbrennungsmotors ausgebildet ist. Der Verbrennungsmotor 2 kann beispielsweise in Form eines Ottomotors oder Dieselmotors ausgebildet sein.
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Der Verbrennungsmotor 2 weist Zylinder 3 auf, die Brennräume 31 aufweisen, in denen in an sich bekannter Weise ein Kolben 4 beweglich angeordnet ist. Der Kolben 4 ist an seiner dem Brennraum 31 gegenüberliegenden Seite über eine (nicht gezeigte) Pleuelstange mit einer Kurbelwelle 5 gekoppelt, so dass eine durch einen Verbrennungstakt im Verbrennungsmotor 2 bewirkte Hubbewegung des Kolbens 4 in eine Rotationsbewegung der Kurbelwelle 5 umgesetzt wird.
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Der Verbrennungsmotor 2 ist ansonsten wie ein herkömmlicher Verbrennungsmotor ausgebildet. Dem Verbrennungsmotor 2 wird Frischluft über ein Luftzuführungssystem 7 zugeführt und Verbrennungsabgase aus den Zylindern 3 über ein Abgasabführungssystem 8 abgeführt. Im Abgasabführungssystem 8 kann ein Katalysator 9 oder eine vergleichbare Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordnet sein.
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Die Kopplung zwischen der Kurbelwelle 5 und dem Kolben 4 in den Zylindern 3 kann mit einem VCR-Steller 6 (VCR: Variable Compression Ratio) versehen sein, um ein Verdichtungsverhältnis in den Zylindern 3 variabel einzustellen. Das Verdichtungsverhältnis entspricht einem Verhältnis eines maximalen Volumens des Brennraums 31 der Zylinder 3, d. h. dem Volumen des Brennraums 31, wenn sich der Kolben 4 an einem unteren Totpunkt befindet, zu einem minimalen Volumen des Brennraums 31 der Zylinder 3, d. h. einem Volumen des Brennraums 31, wenn sich der Kolben 4 an einem oberen Totpunkt befindet. Gemeinsam ist allen VCR-Stellern 6, dass sich die Position des Kolbens 4 am oberen Totpunkt abhängig von dem einzustellenden Verdichtungsverhältnis ändert. Insbesondere liegt der obere Totpunkt umso näher an einem Brennraumdach 16 des Brennraums 31 je höher das eingestellte Verdichtungsverhältnis ist.
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Der Verbrennungsmotor 2 wird in an sich bekannter Weise durch eine Steuereinheit 10 betrieben. Zusätzlich zu den Stellmöglichkeiten, die zum Betreiben eines herkömmlichen Verbrennungsmotors 2 vorgesehen sind, kann die Steuereinheit 10 auch den VCR-Steller 6 stellen.
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Ein Vorteil der Einstellbarkeit des Verdichtungsverhältnisses ε ergibt sich aus der Abhängigkeit des thermischen Wirkungsgrades ηTH eines Verbrennungsmotors vom Verdichtungsverhältnis, wie folgt: ηTH = 1 – ( 1 / ε)κ-1
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Dabei beschreibt ε das Verdichtungsverhältnis, das bei Ottomotoren üblicherweise zwischen 8 und 14 liegt, und κ den Isentropenexponenten des Gemisches, der für eine homogene Verbrennung mit etwa 1,3 angenommen werden kann. Damit wird über den gesamten Verstellbereich des Verdichtungsverhältnisses bei einer Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses von einem minimalen Wert zu einem maximalen Wert der thermische Wirkungsgrad ηTH um ca. 10% erhöht. Dadurch kann der Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors 2 verringert werden.
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Im Normalbetrieb wird das Verdichtungsverhältnis im Wesentlichen so eingestellt, dass es größtmöglich ist, jedoch ein Klopfen des Verbrennungsmotors vermieden wird. Dies bedeutet, dass in Niedriglastbetriebspunkten und Teillastbetriebspunkten ein hohes bzw. ein maximales Verdichtungsverhältnis eingestellt wird, während in Hochlastbetriebspunkten das Verdichtungsverhältnis entsprechend verringert wird, damit in dem Verbrennungsmotor kein Klopfen auftritt. Häufig wird dazu das Verdichtungsverhältnis betriebspunktabhängig entsprechend einem vorgegebenen Verdichtungskennfeld eingestellt. Der Betriebspunkt des Verbrennungsmotors kann dafür z. B. durch Drehzahl und Last angegeben werden.
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Bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 2 befindet sich in der Regel der Katalysator 9 bei Umgebungstemperatur. Für eine wirkungsvolle Abgasnachbehandlung ist es jedoch notwendig, dass der Katalysator 9 sich auf einer Betriebstemperatur befindet. Bei einem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors 2 würde der Katalysator 9 die Betriebstemperatur nur langsam erreichen, da ein Großteil der über den Kraftstoff bereitgestellten chemischen Energie mit einem größtmöglichen Wirkungsgrad in mechanische Antriebsenergie des Verbrennungsmotors umgesetzt wird.
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Aus Emissionsgründen ist ein schnelles Erreichen der vollen Funktionsfähigkeit des Katalysators 9 gewünscht. Daher wird nach einem Kaltstart der Verbrennungsmotor 2 in der Regel in einer Aufheizbetriebsart betrieben, die zum schnellen Aufheizen des Katalysators 9 ausgelegt ist. Dies wird häufig durch eine Verzögerung des Zündzeitpunkts bezüglich des Kurbelwellenwinkels erreicht, so dass der mechanische Wirkungsgrad der Verbrennung weiter verringert wird und ein Teil der Verbrennung des Kraftstoffs im Abgasabführungssystem erfolgt, das Abgasabführungssystem 8 einschließlich des Katalysators 9 aufheizt und damit nicht zur Umwandlung in mechanische Energie zur Verfügung steht. Aufgrund der oben beschriebenen Abhängigkeit des mechanischen Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors 2 vom Verdichtungsverhältnis ist es generell möglich, das Motorsystem 1 in einer Aufheizbetriebsart zum Aufheizen des Katalysators mit einem verringerten Verdichtungsverhältnis zu betreiben.
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Ein entsprechendes Verfahren wird nachfolgend anhand des Flussdiagramms der 2 näher erläutert.
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Im Schritt S1 wird zunächst überprüft, ob eine Betriebsart zum Aufheizen des Katalysators vorliegt. Dies kann an einer vorliegenden Signalisierung einer entsprechenden Anforderung oder an einer für eine bestimmte Zeitdauer bestehenden Spätverschiebung des Zündwinkels, d. h. eines verzögerten Zündzeitpunkts, erkannt werden. Wird die Aufheizbetriebsart erkannt (Alternative: ja), so wird das Verfahren mit Schritt S2 fortgesetzt, anderenfalls (Alternative: nein) wird zu Schritt S1 zurückgesprungen.
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In Schritt S2 wird das Verdichtungsverhältnis durch Stellen des VCR-Stellers 6 verringert und insbesondere auf das minimale Verdichtungsverhältnis eingestellt. Der Verringerung erfolgt ausgehend von einem Verdichtungsverhältnis, das bei einem Normalbetrieb betriebspunktabhängig gemäß einem Normalverdichtungsverhältniskennfeld vorgegeben wird. Die Verringerung kann vorzugsweise mehr als 10%, insbesondere mehr als 20% des bei einem Normalbetrieb einzustellenden Verdichtungsverhältnisses betragen.
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In Schritt S3 wird nun die Lage des Zündwinkels eingestellt.
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Der Zündwinkel kann durch eine reine Steuerung mit Hilfe eines vorgegebenen Zündwinkelkennfeldes eingestellt werden, das basierend auf einem Betriebspunkt des Verbrennungsmotors, der z. B. durch Drehzahl und Last angegeben werden kann, das Verdichtungsverhältnis vorgibt.
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Alternativ kann der Zündwinkel auch geregelt werden. So kann sich der Zündzeitpunkt bei einem verringerten Verdichtungsverhältnis durch den geforderten Lastpunkt nach spät verschieben, und insbesondere wenn der Zündwinkel einen Zündwinkelschwellenwert überschreitet, kann das Verdichtungsverhältnis entsprechend angepasst werden, um einen insgesamt geringeren mechanischen Gesamtwirkungsgrad zu ermöglichen. Dies ist insbesondere der Fall, wenn bspw. durch fehlende Ladungsbewegung bei sehr niedrigen Verdichtungsverhältnissen das Gemisch bei späten Zündwinkeln nicht mehr vollständig durchbrennt, so dass bei höheren Verdichtungsverhältnissen ein späterer Zündwinkel mit stabiler Verbrennung und in Summe einem geringeren mechanischen Wirkungsgrad eingestellt werden können. Dies hängt erheblich von der Brennraumauslegung und den Ventilsteuerzeiten ab, da hier Effekte wie Ladungsbewegung (beeinflusst durch Brennraumform und Schließzeitpunkt des Einlassventils) und Restgasrate (beeinflusst durch die am Betriebspunkt eingestellte Überschneidung von Öffnungszeiten des Ein- und Auslassventils) eine große Rolle spielen.
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Wird in einem nachfolgenden Schritt S4 festgestellt, dass die Aufheizbetriebsart verlassen werden soll, z. B. weil die Temperatur des Katalysators 9 die Betriebstemperatur erreicht hat (Alternative: ja), so wird das Verdichtungsverhältnis wieder auf das Verdichtungsverhältnis eingestellt, das im Normalbetrieb für den bestehenden Systemzustand optimiert ist. Insbesondere wird in der Normalbetriebsart das Verdichtungsverhältnis durch Drehzahl und Last festgelegt. Wird im Schritt S4 festgestellt, dass die Temperatur des Katalysators die Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat (Alternative: nein), so wird zu Schritt S3 zurückgesprungen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2014/019684 [0003]
- DE 102008050827 A1 [0004]
- US 2014/0014071 [0005]
